液体分界面处的薄膜干涉带来新曙光

       可能你曾注意到，当太阳光照射到肥皂泡上时，会形成一道色彩斑斓的彩虹。这就是一种典型的薄膜干涉现象，该原理解释了光在液体混合物中不同的层(或薄膜)上如何反射。

      对于美国能源部SLAC国家加速器实验室的科学家David Hoffman来说，薄膜干涉所带来的影响不只是在混合层界面产生五彩斑斓的颜色这么简单，它对生物、化学、石油和制药等行业也有着非常重要的影响。其中一个关键的应用就是化学净化，因为分离不同的化学物品是整个过程的核心。

      然而，如何更好的控制不同的化学物质相互作用的下分界面一直是物理学上的一个挑战。因为研究人员需要穿透成堆的薄膜，才能得到两种不同液体(如油和水)相遇的确切位置。

      如今，Hoffman及其同事提出了一个合适的解决方案。他们通过化学物质喷射水和油，构造出一个只有几百个原子厚的液体层，从而可以更清楚地看到液体相互作用的界面发生了什么。该成果最近被发表在Langmuir。

      Hoffman表示，他们的方法可以实现对这些界面进行一系列全新的光谱测量，这在之前是根本无法做到的。研究人员能够通过这些光谱观察某一波段光的细节，从而深入了解分子的基本结构。而且该技术还能够做到实时观察材料相互作用时发生的化学反应。

       在大部分生化反应中，两种物质之间的相互作用都是发生在边界或界面上，也就是两者相互接触的地方。比如，在病毒入侵细胞之前，它的外壳必须要与细胞膜融合。另一个更常见的例子发生在未混合的沙拉酱中——油分子和水分子只在两种液体之间的边界处发生相互作用。

      该研究的主要人员Jake Koralek 强调，在化学和生物学中，界面处是分子活动的主要地方。

      该研究主要集中于不同液体的分界面，它可以决定诸如反应速率或混合程度等基本变量。但界面本身只有几个原子厚，研究起来非常的困难。因为两种液体之间的界面两侧存在着大量的分子，如此多的分子淹没了界面本身发出的信号对实验数据本身产生了非常大的噪声干扰。

      经过不懈努力，Hoffman和他的团队将液体的体积减少到只有几纳米厚，从而降低了噪音。为了做到这一点，他们从尺寸非常小的“微流体”喷嘴以每秒1到10m的速度喷射水和油，并将它们溅在一起形成一个薄薄的液面。然后，他们向薄片发射红外光，借助红外光谱了解界面到底发生了什么。下一步，他们计划使用SLAC的林纳相干光源(LCLS)进行x射线光谱分析，这将有助于深入了解反应本身。

      Koralek认为，他们的研究表明，在不同的化学液体中，实际上可以出制造非常光滑平坦的界面，从而为光谱分析铺平道路。

      在使用微流体喷嘴进行第一次测试中，他们只喷射了水，以测试光谱技术在流动液体薄片上的可行性。由此研究小组可以根据熟知水和光相互作用的性质来检验他们的结果。

      尽管如此，他们仍然不确定该实验如何在多种液体中工作，所以在中心实验中，研究团队使用了三支喷嘴，其中两支喷油，一支喷水，反之亦然。当液体离开喷嘴时正好相遇，向外扇形形成一层薄薄的液体。

      “我们最开始认为液体可能是横向分离的，所以可能一边是一种液体，另一边是另一种液体。但实际上，进行红外光谱分析时，我们惊讶地发现，在所有情况下，一种流体完全封闭在另一种流体中。也就是说，它总是一个完全被油层包围的水层，反之亦然。”

      该团队还可以清楚地观察到到彩虹颜色的起伏图案，这说明水和油并没有混合到一起，而是具有清晰的分层。

      现在他们已经确定了这种方法的有效性，该团队已经开始着手帮助其他科学家将多种液体的微流体方法应用到他们自己的实验中。这种方法多所需的设备成本较低，而且尺寸很小，容易操作，在x射线实验和电子显微镜中设置只需要几个小时，这使得广大研究人员可以轻松地地研究液体界面，Koralek提到。他相信，这项研究能够推进电池电化学等领域的研究，以提高存储能量和使用时间，迈出通往零碳经济道路上的关键一步。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.langmuir.2c01724